Il materiale "rozzo": gli elementi chimici
La teoria di Darwin, che è oggi accettata senza dissensi significativi, è la pietra angolare della biologia moderna. I nostri legami anche con le forme più semplici della vita microbica si possono considerare ben dimostrati. Da un punto di vista biochimico, la differenza fra l'uomo e il microbio è relativamente banale. Al livello chimico più rudimentale la vita, in tutta la sua varietà di forme e di espressioni, implica semplicemente l'interazione tra due gruppi di sostanze biochimiche: gli acidi nucleici e le proteine. La miriade di possibili disposizioni e redistribuzione di queste sottostrutture fondamentali compongono la vasta varietà delle forme di vita presenti sul nostro pianeta.
Un primo interrogativo riguarda l'origine di questi fondamentali blocchi da costruzione biochimici della vita. Il materiale rozzo che costituisce i mattoni della vita consiste degli elementi chimici della tavola periodica degli elementi. Studi della crosta terrestre, degli oceani e dell'atmosfera ci danno informazioni sull'abbondanza di questi elementi sulla Terra. Meteoriti e campioni lunari forniscono una valida conoscenza della composizione del nostro Sistema solare. L'analisi spettroscopica delle atmosfere stellari rivela la natura degli elementi chimici che le compongono. Da questo quadro osservativo emerge una sostanziale uniformità per quanto riguarda la composizione chimica. Le abbondanze relative degli elementi sono chiamate "abbondanze cosmiche". La Tabella 1 mostra il numero relativo di atomi di ciascuna specie atomica rispetto all'idrogeno fino al ferro.
|
elemento |
n. atomi / H |
energia ioniz. (eV) |
|
H |
1 |
13,6 |
|
He |
1.2 x 10-1 |
24,6 |
|
C |
3.7 x 10-4 |
11.3 |
|
N |
1.2 x 10-4 |
14.6 |
|
O |
6.8 x 10-4 |
13,62 |
|
Ne |
6.3 x 10-4 |
21.6 |
|
Mg |
3.4 x 10-5 |
7.7 |
|
Si |
3.2 x 10-5 |
8.2 |
|
S |
2.8 x 10-5 |
10.4 |
|
Fe |
2.6 x 10-5 |
7.9 |
|
Na |
1.3 x 10-6 |
5.2 |
|
Ca |
1.6 x 10-6 |
6.1 |
Tabella 1. Le abbondanze cosmiche
Dopo l'elio, che non gioca nessun ruolo nella chimica interstellare, il gruppo degli elementi comprendente l'ossigeno, il carbonio e l'azoto costituisce 1/1000 in numero di atomi relativamente all'idrogeno. Il successivo gruppo più abbondante, quello costituito dal magnesio, silicio e ferro, ha un'abbondanza relativa più bassa di un fattore 10. Lo zolfo è anche relativamente abbondante. Pertanto, nello spazio gli elementi che sono richiesti per le molecole organiche sono i più abbondanti.
È noto che i processi di nucleosintesi che hanno dato luogo alla formazione di elementi via via più pesanti avvengono nelle stelle durante le fasi evolutive, fatta eccezione per l'idrogeno ed una frazione di elio formatisi nelle prime fasi dell'Universo. Le teorie di Gamow ed Hoyle hanno permesso di delineare, nel quadro dell'evoluzione stellare, lo schema generale di formazione dei vari elementi attraverso una serie di processi "a gradino" (Fig. 1). Fusione dell'idrogeno, dell'elio e di elementi più pesanti (fino al ferro) in fasi successive; catture di neutroni nel materiale espulso da stelle di grande massa quando esplosero come supernovae sono i processi invocati per spiegare la nucleosintesi di tutti gli elementi noti. L'organizzazione della materia, a livello di complessità atomica, è quindi un processo che è avvenuto ed avviene tuttora su scala cosmica.
Figura 1. Ciclo di formazione ed evoluzione stellare. A partire dalla contrazione
di una nube interstellare, si forma una stella allorquando si innescano le reazioni
di fusione dell'idrogeno, con produzione di elio. Successivamente, le fasi evolutive
fanno sì che negli interni stellari si formino elementi via via più
pesanti sino al ferro, a seconda della massa iniziale della stella. Quando questa
è inferiore a 1,44 masse solari l'evoluzione si conclude con la fase di nana
bianca. La fase di supernova interviene per le stelle più massicce, con
espulsione degli strati superficiali della stella, dando vita a nuova materia
interstellare, più ricca di elementi pesanti di quella iniziale,
"pronta" per una successiva generazione stellare. Clicca sulla figura per vederla
ingrandita
Fino a qualche decennio fa si supponeva che la fase di organizzazione successiva, ossia un'organizzazione a livello molecolare che comportava associazioni di singoli atomi per formare i complessi blocchi da costruzione della vita (molecole ricche di carbonio, come gli amminoacidi, impiegati dalle cellule per sintetizzare le proteine) fosse stata una questione riguardante esclusivamente l'ambiente terrestre. Nel 1953 Milller attuò un esperimento mediante il quale venne dimostrato che si potevano formare amminoacidi da una miscela di gas, che ricalcava la composizione dell'atmosfera primordiale della Terra, assoggettata a stimoli energetici. Si ritenne, allora, che energia prodotta dall'azione di scariche elettriche prodotte da fulmini o dalla radiazione ultravioletta (UV) irraggiata da Sole avesse potuto costruire amminoacidi in un "brodo primordiale". In seguito processi evolutivi chimico-biologici avrebbero dato origine alla vita.
Sebbene l'esperimento di Miller fosse interessante, esso non fu esente da critiche. La prima è quella che gli amminoacidi prodotti sono solo cinque (alanina, valina, leucina, glicina, acido aspartico) sui venti che costituiscono il patrimonio degli organismi viventi; la seconda è che gli amminoacidi prodotti sono di entrambe le forme, destrorsa e sinistrorsa, mentre invece gli organismi viventi possiedono solo amminoacidi della forma sinistrorsa.
Nuove scoperte, che hanno una relazione profonda col problema dell'origine della vita, sono divenute disponibili solo di recente, da una cooperazione tra varie discipline: astronomia, fisica, chimica e ovviamente biochimica. Il punto di partenza è stata la scoperta, grazie principalmente alla radioastronomia, di numerose molecole organiche nelle nubi interstellari, cioè catene molecolari di H, C, N, O.